Jak wiemy, w dziedzinie półprzewodników monokrystaliczny krzem (Si) jest najczęściej stosowanym podstawowym materiałem półprzewodnikowym o największej objętości na świecie. Obecnie ponad 90% produktów półprzewodnikowych wytwarza się z materiałów na bazie krzemu. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na urządzenia dużej mocy i wysokiego napięcia w nowoczesnej energetyce, postawiono bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące kluczowych parametrów materiałów półprzewodnikowych, takich jak szerokość pasma wzbronionego, natężenie pola elektrycznego przebicia, stopień nasycenia elektronów i przewodność cieplna. W tych okolicznościach materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej reprezentowane przezwęglik krzemu(SiC) stały się ulubieńcem zastosowań o dużej gęstości mocy.
Jako półprzewodnik złożony,węglik krzemuwystępuje niezwykle rzadko w przyrodzie i występuje w postaci mineralnego moissanitu. Obecnie prawie cały sprzedawany na świecie węglik krzemu jest sztucznie syntetyzowany. Węglik krzemu ma zalety wysokiej twardości, wysokiej przewodności cieplnej, dobrej stabilności termicznej i wysokiego pola elektrycznego przebicia krytycznego. Jest idealnym materiałem do wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych wysokiego napięcia i dużej mocy.
Jak zatem produkowane są półprzewodnikowe urządzenia mocy z węglika krzemu?
Jaka jest różnica między procesem produkcji urządzeń z węglika krzemu a tradycyjnym procesem produkcji na bazie krzemu? Zaczynając od tego numeru, „Rzeczy oUrządzenie z węglika krzemuProdukcja” będzie odkrywać tajemnice po kolei.
I
Przebieg procesu wytwarzania urządzeń z węglika krzemu
Proces produkcji urządzeń z węglika krzemu jest zasadniczo podobny do procesu wytwarzania urządzeń na bazie krzemu i obejmuje głównie fotolitografię, czyszczenie, domieszkowanie, trawienie, tworzenie filmu, rozcieńczanie i inne procesy. Wielu producentów urządzeń zasilających może zaspokoić potrzeby produkcyjne urządzeń z węglika krzemu, unowocześniając swoje linie produkcyjne w oparciu o proces produkcyjny na bazie krzemu. Jednakże szczególne właściwości materiałów z węglika krzemu decydują, że niektóre procesy w produkcji urządzeń muszą opierać się na specjalnym sprzęcie w celu specjalnego opracowania, aby umożliwić urządzeniom z węglika krzemu wytrzymanie wysokiego napięcia i dużego prądu.
II
Wprowadzenie do specjalnych modułów procesowych z węglika krzemu
Specjalne moduły procesowe z węglika krzemu obejmują głównie domieszkowanie wtryskowe, tworzenie struktury bramki, trawienie morfologiczne, metalizację i procesy rozcieńczania.
(1) Domieszkowanie wtryskowe: Ze względu na wysoką energię wiązania węgiel-krzem w węgliku krzemu, atomy zanieczyszczeń są trudne do dyfuzji w węgliku krzemu. Podczas przygotowywania urządzeń z węglika krzemu domieszkowanie złączy PN można osiągnąć jedynie poprzez implantację jonów w wysokiej temperaturze.
Domieszkowanie odbywa się zwykle za pomocą jonów zanieczyszczeń, takich jak bor i fosfor, a głębokość domieszkowania wynosi zwykle 0,1 μm ~ 3 μm. Implantacja jonów o wysokiej energii zniszczy strukturę sieciową samego materiału węglika krzemu. Wyżarzanie w wysokiej temperaturze jest wymagane w celu naprawy uszkodzeń sieci spowodowanych implantacją jonów i kontrolowania wpływu wyżarzania na chropowatość powierzchni. Podstawowymi procesami są implantacja jonów w wysokiej temperaturze i wyżarzanie w wysokiej temperaturze.
Rysunek 1 Schematyczny diagram implantacji jonów i efektów wyżarzania w wysokiej temperaturze
(2) Tworzenie struktury bramki: Jakość interfejsu SiC/SiO2 ma ogromny wpływ na migrację kanałów i niezawodność bramki MOSFET. Konieczne jest opracowanie specyficznych procesów wyżarzania bramkowego i wyżarzania po utlenianiu, aby skompensować wiszące wiązania na styku SiC/SiO2 ze specjalnymi atomami (takimi jak atomy azotu), aby spełnić wymagania wydajnościowe wysokiej jakości interfejsu SiC/SiO2 i wysokiej migracja urządzeń. Podstawowymi procesami są wysokotemperaturowe utlenianie tlenku bramki, LPCVD i PECVD.
Rysunek 2 Schematyczny diagram zwykłego osadzania warstwy tlenkowej i utleniania w wysokiej temperaturze
(3) Trawienie morfologiczne: Materiały z węglika krzemu są obojętne w rozpuszczalnikach chemicznych, a precyzyjną kontrolę morfologii można osiągnąć jedynie metodami suchego trawienia; materiały maski, wybór wytrawiania maski, mieszany gaz, kontrola ścian bocznych, szybkość trawienia, chropowatość ścian bocznych itp. należy opracować zgodnie z charakterystyką materiałów z węglika krzemu. Podstawowe procesy to osadzanie cienkich warstw, fotolitografia, korozja warstwy dielektrycznej i procesy trawienia na sucho.
Rysunek 3 Schematyczny diagram procesu trawienia węglika krzemu
(4) Metalizacja: Elektroda źródłowa urządzenia wymaga, aby metal utworzył dobry kontakt omowy o niskiej rezystancji z węglikiem krzemu. Wymaga to nie tylko regulowania procesu osadzania metalu i kontrolowania stanu granicy faz styku metal-półprzewodnik, ale także wymaga wyżarzania w wysokiej temperaturze w celu zmniejszenia wysokości bariery Schottky'ego i uzyskania kontaktu omowego metal-węglik krzemu. Podstawowe procesy obejmują rozpylanie magnetronowe metali, odparowywanie wiązki elektronów i szybkie wyżarzanie termiczne.
Rysunek 4 Schematyczny diagram zasady rozpylania magnetronowego i efektu metalizacji
(5) Proces rozcieńczania: Materiał z węglika krzemu charakteryzuje się wysoką twardością, wysoką kruchością i niską odpornością na pękanie. Proces szlifowania może powodować kruche pękanie materiału, powodując uszkodzenie powierzchni płytki i podłoża. Należy opracować nowe procesy szlifowania, aby sprostać potrzebom produkcyjnym urządzeń z węglika krzemu. Podstawowe procesy to pocienianie tarcz szlifierskich, przyklejanie i łuszczenie się folii itp.
Rysunek 5 Schematyczny diagram zasady mielenia/przerzedzania płytek
Czas publikacji: 22 października 2024 r